阵列波导光栅在WDM系统实时监测中的应用

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摘 要：文章阐述了阵列波导光栅的基本原理、构成、特点及其优势，wdm系统的特性，原始监测方法的局限，以及阵列波导光栅在wdm系统实时监测中的重要意义和实时监测应用实例。

关键词：波导阵列光栅；原理；特点；wdm系统；实时监测

随着光网络系统的不断发展，更多创新的调制编码及复用技术将会应用到高速传输之上。高的传输速率意味着更密集的信道间隔，更多的信道干扰，更强的非线性效应，包括：光信号的波长准确度和稳定度问题；光信道的串扰问题；光纤色散对传输的影响问题；光纤的非线性效应问题；edfa的动态可调整增益与锁定，增益平坦，光浪涌和噪声积累问题。在高速光通信系统的科研开发、产业化建设和维护过程中，密集信道质量必须得到实时地，全面地，准确地监控，才能够在实际应用中保障网络传输的质量和可靠性。

1 阵列波导光栅的原理

一个标准的阵列波导光栅由五部分组成：输入波导、输入星形耦合器、阵列波导、输出星形耦合器和输出波导阵列。如图1所示。

输入星形耦合器与输出星形耦合器为镜像关系，输入波导镜像为输出波导阵列中的波导，而阵列波导相当于一个凹面反射型光栅，与普通凹面光栅的区别是，在相邻光栅单元之间引入了光程差。从波导发出的光，在阵列波导的输出端发生反射型衍射，不同波长被衍射到不同角度，从而被不同输出波导接收，实现波长解复用。

图1 阵列波导光栅的组成 图2 阵列波导光栅的工作原理

输入/输出星形耦合器凹面反射式光栅和罗兰圆的结构：

（1）

如公式1所示，δl为相邻阵列波导之间的长度差，式中m是衍射级，λc为中心波长， 为阵列波导的等效折射率。如图2所示，输入/输出波导的端口位于罗兰圆的圆周上，阵列波导位于凹面光栅的圆周上。δl波长的增加，对应不同相位变化，如公式2所示

（2）

其中 （3）

（4）

阵列波导对不同波长的光产生不同的相位调制， 导致在象面上的聚焦点位置发生偏移， 并从不同的输出波导输出， 实现波分复用/ 解复用。从式中可以看到，同一波长的不同衍射级次，将衍射为不同角度，聚焦到不同的输出波导中，如图3（左）所示，其中主衍射级次的光功率最强，次级衍射光功率迅速衰减。在满足公式2的情况下，不同波长的主衍射级次将进入相同的输出波导，造成串扰，δλ称为awg的自由光谱范围（fsr），如图3（右）所示，为避免串扰，fsr应大于需要复用/解复用的信号谱宽。

2 阵列波导光栅的特点

从阵列波导光栅的原理可知，阵列波导光栅的尺寸小、成本低，可以满足现在集成化高的需求；阵列波导光栅的中心频率设计灵活，易于控制，可以满足不同场合的不同需求；阵列波导光栅的插入损耗小，插入损耗值一般在3db左右，并且具有平坦的频率响应；较好的抗串扰能力，通道串扰一般具备35db以上。但是，阵列波导光栅属于相位阵列光栅的范畴，其缺点是与偏振和温度有关，偏振相关性需要在实际设计过程中使用保偏光纤等方法处理，温度相关性需要附加一些温控单元，加入加热器、冷却器等。

3 wdm系统的简介

wdm（wavelength division multiplexing）是光纤通信中的一种传输技术，它利用一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波信号，把光纤所应用的波长范围划分成若干个波段，每个波段作为一个独立的通信信道传输光信号。所以wdm是在一根指定的光纤中，多路复用单个光纤载波的紧密光谱间距，以便利用可以达到的传输性能，这样，在给定的信息传输容量下，就可以减少所需要的光纤的总数量。

wdm技术对网络的扩容升级，发展宽带业务，挖掘光纤带宽能力，实现超高速通信等均具有十分重要的意义，尤其是加上掺铒放大器（edfa）的wdm对现代信息网络更具有强大的吸引力。因此，保障wdm网络的良好运行，就显得意义尤为重要。

4 波导阵列光栅在wdm实时监测系统中的应用

为了保障wdm系统的良好运行，需要对系统的运行状态进行实时监测，实现系统实时监测的方法有两种。

第一种是光功率计监测法，使用光功率计，对需要的频点进行监测，在cwdm系统中，此方法可行，但是对于dwdm系统，没有这么窄范围的pd可以达到dwdm的系统要求，这种方法就显得力不从心了。

第二种是光谱分析仪监测法，使用通信波段通用光谱分析仪，进行监测，此

方法可以覆盖cwdm和dwdm系统，但是此方法成本巨高，一台通信光谱分析仪，现在市场售价30～60万，并且，此种方法具有一个致命的问题，光谱分析仪采取的是扫描模式，需要内部光栅或者光滤波器进行不停地扫描，也就是说，不能做到实时监测，只能做到间断性的监测，若想进行实时监测，需要在每一个待监控频点，放置一台光谱分析仪，如果，dwdm系统设计为80通道，那样如果进行全频带监控，就需要80个光谱分析仪，这无疑是不可想象和无法实现的。

在实际系统应用中，根据wdm实时监测系统的需求，采用先进的阵列波导光纤的方法进行实时监测。监测的前端原理框图如图4所示阵列波导光栅分光部分，通道接收部分框图如图5所示，这样就组成了wdm实时监测系统。

按照如图4所示的原理框图，接收系统首先进行光电转换和信号的调整，然后使用多路并行adc实时接收，送到fpga进行信号分析，主控系统dsp对信号进行二次处理及算法实现，并将最终的结果交由ui界面层显示。

5 结束语

采用波导阵列光栅的方法实现wdm系统实时监测，相比光谱仪方法在实时性与价格上具有很高的优势，同时可以解决普通光功率计无法解决的dwdm光波分辨率高的问题，具有很高的工程实践价值，可以满足用户的需求。

作者简介：薛玉梅（1975，4-），副总工程师，民族：汉，主要从事有线电视、移动通讯、光纤测量、光谱分析等方面的技术规划和技术实现。